天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 汪學(xué)明

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雙散射光式水質(zhì)濁度測(cè)量及非線性補(bǔ)償方法的研究

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 汪學(xué)明

【摘要】本文在兩種光式90°散射法和表面散射法水質(zhì)濁度測(cè)量的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于90°散射與表面散射相結(jié)合的雙散射光式濁度測(cè)量技術(shù)方案，該技術(shù)設(shè)計(jì)方案可在滿足測(cè)量精度的同時(shí)顯著提高濁度傳感器的測(cè)量量程范圍。

【關(guān)鍵詞】濁度；雙散射法；非線性補(bǔ)償

0.引言

水的濁度是衡量水質(zhì)良好與否的重要標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，也是水污染嚴(yán)重的國(guó)家，每年都有大量的未經(jīng)處理的污水排入湖泊河流，面對(duì)日益嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢(shì)，為了更好的保護(hù)和改善水環(huán)境，國(guó)家正在大力發(fā)展水質(zhì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此，對(duì)水體濁度的在線檢測(cè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，濁度的測(cè)量大多基于光電的測(cè)量原理，這是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)的化學(xué)分析方法，光學(xué)測(cè)量具有測(cè)量速度快、精度高、成本低、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的基于光學(xué)測(cè)量原理的方法有透射法和散射法。透射法通過(guò)測(cè)定水體的吸光度反映濁度，該方法易受到水體色度的干擾。散射法與透射法相比，在低濁度下具有檢測(cè)下限低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)并且90° 散射法也是ISO7027水質(zhì)濁度的測(cè)量中規(guī)定的濁度測(cè)量方法。但是90°散射法測(cè)量范圍較窄，因?yàn)樵诟邼岫认掳l(fā)生的多次散射現(xiàn)象，使散射光強(qiáng)度迅速下降，這時(shí)測(cè)得的散射光強(qiáng)度值已不能正確反映真實(shí)的濁度值。

本文提出了一種新型的濁度測(cè)量方法，即雙散射光式濁度檢測(cè)法。在測(cè)量90°散射光的基礎(chǔ)上，增加對(duì)表面散射光的測(cè)量。在低濁度范圍內(nèi)使用90°散射法的測(cè)量值，在高濁度使用表面散射法的測(cè)量值，通過(guò)對(duì)檢測(cè)濁度值進(jìn)行非線性補(bǔ)償處理，可顯著提高濁度測(cè)量值的精度和測(cè)量量程。

1.雙散色光檢測(cè)基本原理

圖1　雙散射光式測(cè)量原理

雙散射廣式測(cè)量原理如圖1所示，X軸下方充滿溶液，有一光強(qiáng)為I0的細(xì)平行光束沿θ角入射到溶液中，根據(jù)比爾—朗伯定律到達(dá)m 處的光強(qiáng)Ix 為：

（1）式中T為濁度，I0為入射光強(qiáng)，K1為吸收系數(shù)。光束傳播到m處，其90°方向的散射光，經(jīng)過(guò)溶液傳播衰減后，在x處的光強(qiáng)Is 為：

（2）式中Ks 為散射系數(shù)。將式（1）帶入式（2）得到：

在位置x 處取無(wú)窮小量dx，設(shè)通過(guò)該區(qū)域的散射光強(qiáng)dIs為：

在x1～x2 的范圍內(nèi)，即濁度檢測(cè)光電二極管的接收范圍內(nèi)，所能接收到的90°方向的散射光，經(jīng)過(guò)溶液傳播衰減后，總的散射光強(qiáng)Iss為：

式中Kss = KsSinθ，K11 = K1（sin θ+ cos θ），Δx = x2 - x1 ，可見(jiàn)總散射光強(qiáng)度與濁度T 不是線性關(guān)系。用泰勒級(jí)數(shù)將式（3）展開(kāi)，略去二階無(wú)窮小量得到：

由此可見(jiàn)，散射光強(qiáng)Iss與濁度T和Δx呈正比。

表面散射法與90°散射法不同的是它測(cè)量樣品淺表層的散射光。在樣品濁度較高時(shí)，對(duì)90°方向上散射光起作用的樣品長(zhǎng)度很小，只在表面薄薄的一層，可有效降低高濁度下的多次散射現(xiàn)象，其原理如圖1所示。此時(shí)表面散射的總散射光強(qiáng)Iss為：

（4）式中x3 為光電二極管的接收范圍，由此式可以得出表面散射光強(qiáng)I' ss-T 關(guān)系的非線性程度較式（3）有較大改善，通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)將上式展開(kāi)，略去二階無(wú)窮小量得：

由上式可知，表面散射光強(qiáng)I' ss與濁度T 和x3 呈正比。綜上可知，表面散射法可以有效彌補(bǔ)90°散射法的不足，在較大的濁度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量還能獲得較好的線性關(guān)系。

2.濁度傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

濁度傳感器檢測(cè)電路主要包括光源與光電傳感器和信號(hào)檢測(cè)電路兩個(gè)部分。

2.1光源和光電傳感器

光源和光電傳感器的選擇直接決定了傳感器信號(hào)的精度和穩(wěn)定程度。濁度傳感器需要光源具有使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。由于濁度引起的散射光強(qiáng)的變化往往十分微弱，需要光電接收器件在與光源的頻率匹配的同時(shí)具有較高的靈敏度。

本系統(tǒng)采用850nm高亮度發(fā)光二極管作為光源，紅外發(fā)光二極管是電流型驅(qū)動(dòng)器件，其亮度與電流近似成線性關(guān)系，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命，使用恒流源電路進(jìn)行供電。

圖2　發(fā)光二極管恒流源電路

圖3　檢測(cè)電路原理框圖

2.2信號(hào)檢測(cè)電路

濁度傳感器的輸出信號(hào)大多為模擬電壓信號(hào)或電流信號(hào)，光電傳感器輸出的模擬信號(hào)往往比較弱，而且常常伴有噪聲和突發(fā)性干擾脈沖，需采取若干措施，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、濾波和抗干擾。為此信號(hào)抗干擾能力，檢測(cè)部分采用 V/F （LM331）轉(zhuǎn)換光電隔離。

3.測(cè)量的非線性補(bǔ)償

在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量也不是完全非線性的，需要采取一定的方法來(lái)改善線性程度。濁度測(cè)量的非線性度一般要求小于2%，隨著濁度的增大，不經(jīng)過(guò)補(bǔ)償是達(dá)不到這個(gè)要求的。因此可以采用以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)散射光和濁度的線性關(guān)系。常用的采用分段折線補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

3.1單片機(jī)查表法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)或其他方法較準(zhǔn)確地得到光強(qiáng)和濁度值的逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，列表存入濁度測(cè)量的單片機(jī)內(nèi)部的 FLASH 中。標(biāo)定時(shí)，求出查表得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際濁度的比例系數(shù)。

測(cè)量時(shí)通過(guò)光強(qiáng)值 查得 對(duì)應(yīng)的濁度值，乘上比例系數(shù)，即為實(shí)際濁度值。理論上講，這種方法只要一個(gè)點(diǎn)標(biāo)定，使用很方便。但實(shí)際上由于光學(xué)系統(tǒng)加工、安裝上的誤差，每臺(tái)濁度傳感器的曲線都不完全一樣，用同一表格誤差太大，使用不同的表格在批量生產(chǎn)中又顯然是不可行的。改進(jìn)方法是分段多點(diǎn)標(biāo)定，每段通過(guò)標(biāo)定得到對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，各段比例系數(shù)都不相同。測(cè)量時(shí)由查表得到的數(shù)據(jù)乘上相應(yīng)段的比例系數(shù)，即為濁度值。當(dāng)光學(xué)參數(shù)誤差不太大時(shí)，這種方法能取得較好的效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)液的誤差，只影響其附近對(duì)應(yīng)小部分的值，且誤差總是小于等于標(biāo)準(zhǔn)液的誤差。

3.2分段折線補(bǔ)償法

具體的方法是使用不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，每?jī)蓚€(gè)標(biāo)定值之間為一條直線，確定各條直線的斜率，連接成折線。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)測(cè)量值的大小確定落在哪條直線上，再根據(jù)斜率計(jì)算得到濁度值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方便，標(biāo)準(zhǔn)溶液的誤差只影響到其附近值，且誤差總是小于等于標(biāo)準(zhǔn)溶液誤差，對(duì)光學(xué)參數(shù)的誤差也無(wú)太高要求。實(shí)際測(cè)量中，由于分段折線補(bǔ)償計(jì)算方便，不像查表法需要數(shù)據(jù)表格，易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)光學(xué)參數(shù)和標(biāo)定液的誤差也比多項(xiàng)式補(bǔ)償法小很多，是一種較常用的非線性補(bǔ)償方法。由于設(shè)計(jì)的濁度傳感器輸出脈沖信號(hào)，通過(guò)確定標(biāo)定點(diǎn)濁度與對(duì)應(yīng)的頻率值間的關(guān)系，計(jì)算出分段折線函數(shù)，就可得到濁度值。

圖4　分段式非線性補(bǔ)償

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)雙散射光式濁度傳感器測(cè)量原理進(jìn)行分析，對(duì)信號(hào)采集電路和非線性補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了分析探討。該濁度傳感器測(cè)量采用基于90°散射和表面散射相結(jié)合的雙散射光式測(cè)量方法，在低濁度范圍內(nèi)使用90°散射法，在高濁度使用表面散射法的測(cè)量法，并對(duì)幾種非線性補(bǔ)償方法進(jìn)行了具體分析，雙散射光式濁度檢測(cè)方法可顯著提高濁度傳感器的測(cè)量量程和測(cè)量精度。

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作者簡(jiǎn)介：

汪學(xué)明（1983—），男，安徽安慶人，工程師，主要研究方向：礦山自動(dòng)化及監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)常州研究院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)15SY002）。